Circuite logice cu tranzistoare cu performante absolute

Circuite logice cu tranzistoare cu performante absolute

Dupa aparitia CI dezvoltarea acestora a marcat doua tendinte: de crestere a vitezei de comutare si de crestere a densitatii componentelor conventionale pe un cip.

І) Necesitatea maririi vitezei de functionare a circuitelor a fost impusa de cresterea complexitatii tehnicilor numerice care reclama un timp de raspuns din ce in ce mai redus.

In acest sens, pornind de la circuitul "totem pole" (fig.10) s-au elaborat CI cu tranzistoare bipolare cu viteza mare de comutare -seria TTL rapida. In fig.10 este prezentata schema circuitului SI-NU cu doua intrari din seria rapida.

Se observa ca tranzistorul T3 de la seria normala (v. fig.10) s-a inlocuit cu perechea de tranzistoare T3-T5 in montaj Darlington. Aceasta configurare asigura o viteza mai mare de comutatie decat a circuitului standard (6 ns fata de 11 ns la trecerea din 0 in 1 si 6 ns fata de 7 ns la comutarea din 1 in 0). Tranzistorul T5 are si rolul diodei de decalare din circuitul standard, asigurand blocarea ferma a tranzistorului T3 cand T4 este in conductie. Circuitele din aceasta serie prezinta dezavantajul unui consum de putere mai mare decat circuitul de viteza normala. La I.P.R.S. -Baneasa se produc circuite logice din seria rapida / 52/ si care se disting de cele normale prin introducerea in codul de marcare a literei H (prescurtarea de la "High speed"). Datorita faptului ca seria TTL H functioneaza cu tranzistoare saturate nu se pot obtine timpi de comutare sub limita mentionata s-au realizat circuite logice cu cuplaj in emitor (ECL-Emiter Coupled Logic). Circuitele ECL functioneaza cu tranzistoare nesaturate fapt ce conduce la obtinerea unor timpi de comutare de 1-4 ns.

In fig.11 este prezentata schema unui circuit ECL-NICI cu doua intrari, in care tranzistoarele T1 si T2 sunt de prelucrare logica iar T3 de referinta. Baza lui T3 este conectata la o sursa de referinta U_ref    asigurand conductia acestuia. Valoarea sursei de referinta se afla sub nivel logic 1. Rezistorul R_E de cuplaj are o valoare suficient de mare pentru a se realiza o sursa de curent constant. Daca ambele intrari sunt actionate cu semnal logic 0 (la masa), atat T1 cat si T2 sunt blocate. Ca urmare, in baza tranzistorului T4 se injecteaza curent suficient pentru a-l aduce in conductie si la iesire se obtine semnal logic 1 (apropiat de +E_c). Daca la una din intrari se plica nivel logic 1 (superior lui U_ref) tranzistorul respectiv intra in conductie si comuta o parte din curentul care parcurge circuitul R_E-T3. In consecinta potentialul de colector al tranzistorului de prelucrare logica scade si totodata incepe blocarea tranzistorului T4. Pragul de comutatie este egal cu tensiunea de referinta, dupa care la iesire se obtine semnal logic 0. Cuplajul prin emitor nu permite saturarea tranzistoarelor iar comutarea curentului asigura o excursie coborata (cca. 0,8V) la trecerea de la un nivel logic la celalalt; ambele situatii conduc la un timp de comutare foarte redus. Folosirea repetorului pe emitor la iesire asigura un "fan aut" in jur de 25. Dezavantajul circuitelor ECL consta in consumul de putere mult mai mare decat al celorlalte circuite logice (circa 50 mW/circuit). Prin folosirea diodelor Schottky conectate intre baza si colectorul unui tranzistor (fig.12a) s-a obtinut un dispozitiv care permite imbinarea vitezei de comutatie a circuitelor ELC cu consumul relativ redus al circuitelor TTL. Folosirea conexiunii mentionate nu permite saturarea tranzistorului, timpul de comutare fiind extrem de redus datorita timpului de stocare practic nul (cca. 1 ns) al diodei Schottky.

In fig.12b este prezentat un circuit SI-NU cu doua intrari cu "tranzistoare Schottky". Denumirea si simbolizarea specifica definesc folosirea configuratiei dioda Schottky-tranzistor bipolar. Se observa ca structura circuitului este asemanatoare circuitului TTL H, cu deosebirea ca tranzistoarele T1, T2, T4 si T5 sunt tranzistoare Schottky. In plus se foloseste tranzistorul T6 care accelereaza comutarea tranzistorului T4. Tranzistorul T3 nu este necesar sa fie de tip Schottky deoarece conexiunea Darlington cu T5 nu-i permite saturarea. Circuitul prezentat realizeaza timpi de comutare de aproximativ 3 ns si puteri disipate de cca. 20 mW. Circuitele cu tranzistoare MOS asigura o complexitate mult mai mare decat circuitele cu tranzistoarele bipolare dar sunt mult mai lente (timpi de comutare in medie mai mari de 50 ns).

II) Din constatarea ca prin integrare costul pe circuit scade substantial cu cresterea complexitatii cip-ului a aparut imediat tendinta dezvoltarii corespunzatoare a tehnologiilor de integrare. Daca la inceput se obtineau pe un singur cip 1-12 circuite logice similare, etapa cunoscuta ca integrare pe scara mica (SSI), in prezent se construiesc curent pana la 100 de circuite pe o aschie de siliciu (integrare pe scara medie -MSI). De asemenea, in prezent asistam la o depasire a complexitatii de 100 circuite/cip (integrare pe scara larga -LSI), prin rafinarea tehnologiilor de integrare atingandu-se o densitate de 10000-15000 de tranzistoare pe o pastila de siliciu. Aceasta crestere spectaculoasa a complexitatii de integrare se datoreste integrabilitatii foarte bune a tranzistoarelor MOS. In prezent s-a trecut la circuite VLSI (Very Large Scale Integration) cu o densitate de pana la 50000 de tranzistoare/cip si apoi urmand circuite SLSI (Super Large Scale Integration) cu densitati ce depasesc valoarea mentionata pentru tipul VLSI. In ultimii ani, din competitia dintre tranzistorul bipolar care asigura viteze mari dar un grad scazut de complexitate si tranzistorul MOS care asigura o complexitate deosebit de mare dar sunt relativ lente, s-a obtinut o noua familie de CI avand la baza circuite logice cu injectie -I²L (Integrated Injection Logic). Aceste circuite folosesc tranzistoare bipolare cu introducerea unor perfectionari care sa asigure cresterea gradului de complexitate la integrare. Pentru aceasta s-au inlocuit rezistoarele cu tranzistoare de sarcina (ca la TEC-MOS) si s-a cautat sa se elimine necesitatea izolarii componentelor realizate pe acelasi cip. Punctul de plecare a fost circuitul DCTL. In cazul circuitelor I²L toate jonctiunile baza-emitor in paralel ale tranzitoarelor din circuitele comandate sunt inlocuite cu un tranzistor multicolector, iar rezistorul de sarcina cu un generator de curent (fig.13). Ca generator de curent poate fi folosita orice sursa capabila sa injecteze purtatori minoritari in baza tranzistorului multicolector. Solutia cea mai avantajoasa a fost folosirea unui tranzistor pnp ca generator de curent (fig.13b). Referitor la structura prezentata se poate observa ca:

baza tranzistorului pnp este identica cu emitorul tranzistorului npn;

colectorul tranzistorului pnp este identic cu baza tranzistorului npn;

componentele nu trebuie izolate intre ele;

tranzistorul multicolector se poate obtine ca un tranzistor multiemitor cu dopare inversa.

Datorita celor evidentiate mai sus, aria ocupata de structura din fig.13b este egala cu aria ocupata de un tranzistor, fara nici o izolare intre componente. Acest fapt conduce la obtinerea unor grade de complexitate foarte ridicate; se estimeaza realizarea unei densitati de pana la 3000 circuite pe un cip. Alimentarea unei structuri I²L se face cu tensiuni mai mari de 0,85 V, impusa de deschiderea jonctiunii emitor-baza a tranzistorului pnp. Emitorul tranzistorului pnp poate fi comun pentru toate circuitele de pe un cip si a primit denumirea de injector.

O proprietate deosebit de avantajoasa a structurii I²L consta in faptul ca prin modificarea curentului injectorului se poate modifica dupa dorinta puterea disipata si ca urmare si timpul de comutare. Atat puterea cat si timpul de propagare al unui circuit I²L se pot regla pe 3.4 ordine de marime: puterea in1 nW si 10 W/circuit, iar timpul de comutare intre zeci de nanosecunde si zeci de milisecunde.

In fig.14 este prezentata o diagrama comparativa in ceea ce priveste raportul viteza-putere consumata pentru diferite tipuri de circuite. Se observa ca tehnologia I²L este competitiva cu tehnologiile MOS, pastrand un usor avantaj de viteza (s-au obtinut deja circuite cu timpi de propagare intre 1 si 10 ns). Folosind structura din fig. 13b se pot materializa simplu functii logice complexe. Astfel, in fig.15a este prezentat un circuit SI-NU cu doua intrari. Daca la una din intrari se aplica semnal logic 0 curentul de injector este comutat prin intrarea considerata la

masa. Ca urmare, tranzistorul npn este blocat si potentialul colectorului conectat la circuitul de sarcina creste-semnal logic 1. La iesire se obtine potential coborat daca la ambele intrari se aplica potentiale ridicate, curentul injectorului asigurand saturarea tranzistorului npn. Datorita tranzistorului multicolector cu iesiri izolate galvanic, circuitele I²L permit materializarea functiilor complexe prin conectarea in paralel a iesirilor. In fig.15b se prezinta un circuit cu doua intrari si doua iesiri la care se obtin functiile NICI si respectiv NICI-NEGAT=SAU.